Коротка теорія і метод вимірювань

Лазер або оптичний квантовий генератор – штучне джерело світла, принцип дії якого базується на уявленні про дискретність енергетичних станів в атомі (квантування енергії). Термін “лазер” утворений початковими буквами слів англійської фрази “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, що означає "підсилення світла за допомогою індукованого випромінювання".

В основі роботи квантових генераторів лежить явище індукованого (вимушеного) випромінювання, суть якого полягає в наступному. Нехай електрон в атомі знаходиться у двох станах 1 та 2 (рис.1), які характеризуються енергіями W₁ та W₂. Щоб перевести електрон з рівня 1 на більш високий енергетичний рівень 2, йому треба надати енергію, що має бути не менша за різницю W₂ – W_{1 .} Енергія надається квантами (порціями) електромагнітного випромінювання (для світла - фотонами), причому, згідно гіпотезі Планка, енергія кванта ε пропорційна частоті випромінювання ν

 

ε=h ∙ ν, (1)

 

де h – стала Планка, квант дії (h = 6,63∙10^-34 Дж∙с), ν – частота випромінювання, що поглинається.

Зі стану 2 до стану 1 електрон може повернутися двома способами. Перший –– спонтанний (самодовільний) перехід, який супроводжується випромінюванням фотона з енергією ε, що дорівнює поглинутій енергії. Поскільки різні атоми випромінюють незалежно один від одного, то спонтанне випромінювання є некогерентним (неузгодженим).

Другий спосіб повернення електрона в стан W₁ – індукований перехід, який стимулюється дією зовнішнього випромінювання з енергією фотонів ε, рівною різниці енергій W₂ – W_{1 .} Супроводжуюче індуковані переходи випромінювання (вимушене випромінювання) має ту ж саму частоту, спрямованість поширення, поляризацію та фазу, що і вимушуюче випромінювання. Однаковість фаз вимушуючего та індукованого випромінювань зумовлює когерентність (фазову синхронність) індукованого випромінювання.

 

 

2 W₂ W₂

1 W₁ W₁

 

Рис.1 Рис.2

 

Звичайно під дією випромінювання з енергією ε відбуваються одночасно як переходи електронів до збудженого стану, так і індуковані переходи до нормального стану. В системах, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, найбільше число електронів знаходится в стані 1, тому під дією зовнішнього випромінювання переважно йдуть процеси поглинання випромінювання з переходом в стан 2. Якщо ж створити таку систему, в якій число електронів у збудженому стані (верхній рівень) більше, ніж в основному стані (нижній рівень), то дія випромінювання з енергією ε викличе переважно індуковані переходи. Схема цього процессу подана на рис.2.

Системи, у яких число електронів у збудженому стані більше ніж в основному, називають системами з інверсною заселеністю рівнів. В залежності від способу створення інверсної населеності (способу накачки) розрізняють попереднє опромінення робочого середовища світлом (оптична накачка), збудження середовища електричним струмом (наприклад, газовий розряд), хімічна накачка і т. і.

Лазери можуть відрізнятись режимом роботи (неперервний та імпульсний), робочим середовищем (газові, рідинні, твердотільні, зокрема напівпровідникові, кристалічні, аморфні і т. д.), конструкцією резонатора.

Характерні особливості лазерного випромінення:

1. Висока монохроматичність випромінювання (відхилення від основної частоти випромінювання лазера в 10⁴-10⁸ разів нижча, ніж у самих вузьких спектральних ліній спонтанного випромінювання, що спостерігаються у природі - природні джерела електромагнітного випромінювання генерують хвилі в значно ширшому інтервалі частот).

2. Поляризованість випромінювання – коливання електричного або магнітного поля випромінювання відбувається строго вздовж однієї прямої, перпендикулярної до напрямку поширення хвилі.Повністю поляризовані світлові пучки невисокої інтенсивності від інших джерел можна одержати тільки за допомогою додаткових приладів.

3. Висока спрямованість випромінювання. Світловий потік лазерного випромінювання може бути зосереджений в межах малого тілесного кута з розходженням променів на рівні кутових секунд (у прожекторів кут розходження променів 2-3º - в тисячі разів більший).

4. Висока інтенсивність випромінювання – досягнення значних середніх потужностей лазерів (100-1000 Вт) у вузьких світлових пучках дає можливість формувати енергетичні потоки надвисокої інтенсивності – в імпульсних лазерах та лазерних системах ~10¹⁴-10²⁰ Вт/м², (для порівняння – середня інтенсивність сонячного випромінювання поблизу земної поверхні становить10³ Вт/м²).

5. Висока ефективна температура лазерного випромінювання – якщо розрахувати температуру тіла, що генерує лазерне випромінювання, то навіть при невеликих середніх потужностях випромінювання, вказана температура повинна бути порядка десятків мільйонів градусів!

6. Гранична напруженість електричного і магнітного полів в лазерному випромінюванні – при вказаних інтенсивностях випромінювання в електромагнітних хвилях розвивається напруженості ~10¹⁰ В/м, які перевищують навіть напруженості полів в атомах (напруженості електричного поля в світлових хвилях <10⁴ В/м), що веде до екстраординарних явищ нелінійної оптики та квантової електродинаміки, зокрема пробою вакууму та ін.

Вказані особливості лазерного випромінювання є похідними від основної властивості – когерентності, узгодженості випромінювання. Інші джерела когерентного світла невідомі. В принципі, лазери (оптичні квантові генератори) можна назвати штучними когерентними ліхтарями.

Унікальні характеристики лазерного випромінювання знаходять своє застосування у ветеринарній хірургії, терапії та діагностиці, зокрема при проведенні безкровних і стерильних операцій (наприклад, з такою метою застосовують СО₂-лазер, який має потужне випромінювання). У зооінженерній практиці лазерна техніка (як правило, випромінювання низькоенергетичного гелій-неонового лазера) використовується при вимірюванні росту тварин, для оцінки рухливості сперміїв, для підрізки крил домашньої птиці з метою підвищення їх продуктивності.

В данній роботі вивчається гелій-неоновий лазер, в якому інверсна заселеність створюється газовим розрядом. Робоча речовина в даному типі лазерів – гелій-неонова суміш газів під тиском близько 1 мм. рт. ст. – міститься в кварцевій трубці, на кінцях якої розміщені два дзеркала: одне – з високою відбиваючою здатністю, друге – напівпрозоре. Газовий розряд в трубці підтримується високочастотним генератором. Напівпрозоре дзеркало пропускає до кількох відсотків падаючего на нього світла, а решту випромінювання відбиває у випромінююче (робоче) середовище. В результаті кожний фотон, перш ніж вийти через напівпрозоре дзеркало, багаторазово пронизує активну речовину лазера, викликаючи індуковане випромінювання багатьох збуджених атомів. Цим досягається велика густина випромінювання. Багаторазово можуть відбитися від дзеркала тільки ті промені, що падають на дзеркало перпендикулярно до його поверхні, тому випромінювання зосереджено в межах вузького тілесного кута. Цим визначається можливість одержання в лазерах променів малої розбіжності та великої яскравості.

 

Визначення довжини хвилі випромінювання лазера в данній роботі проводиться за допомогою установки, схема якої приведена на рис. 3.

 

Рис. 3.

 

Світло від лазера падає на дифракційну гратку, при цьому на екрані спостерігается дифракційна картина. Умова спостереження максимумів освітленості на екрані визначається рівнянням:

 

, (2)

 

де:

λ – довжина хвилі випромінювання лазера;

k = 0, 1, 2, … - порядок дифракційного максимуму;

b – стала дифракційної гратки, яка дорівнює відстані між сусідніми щілинами;

φ – дифракційний кут, утворений напрямом первинного пучка та напрямом від дифракційної гратки на максимум k -го порядку.

З формули (2) випливає, що

 

= , (3)

 

Згідно з рис. 3 синус кута φ може бути визначений за співвідношенням

 

, (4)

 

Відстань L від дифракційної гратки до екрана змінюється переміщенням екрана вздовж оптичної лави і вимірюється масштабною лінійкою. Відстань l визначається за шкалою на екрані.